基于碳纳米管和二维材料的混合维度异质结的研究

Carbon nanotubes (CNTs) and 2D-materials attract intensive research interests from all over the world. It will be promising to combine CNTs with 2D-materials to construct mixed-dimensional van der Waals heterostructures (vdHs). By designing the geometry of CNTs, the mixed-dimensional vdH can appear as vertical point heterostructure, vertical 1D heterostructure, etc., which expand the family of vdHs. The CNTs have good synergism with 2D-materials, which brings new physics. New devices can thus be developed from the new principles and improved structures. The introduction of CNT can challenge the limits of the in-plane size of vdHs, and it is an efficient solution to improve integration level of vdHs. Moreover, we have realized a vertical point heterostructure by using 2 cross-stacked singled-walled CNTs and an MoS2 flake. It has been applied as field-effect transistor with high on/off ratio and photodetector which high-spatial resolution. The progress shows the potential of the suggested mixed-dimensional vdHs.

碳纳米管和二维层状材料是近年来在纳米科技领域被广泛研究的重要纳米材料。将碳纳米管独特的一维结构与二维材料结合构建具有混合维度的异质结将是一个兼具科学性和应用前景的重要课题。首先，异质结具有丰富的形式，可以通过设置碳纳米管的构形获得垂直点异质结、垂直一维异质结等，拓展了范德瓦尔斯异质结体系；其次，不同维度材料结合后的协同效应将呈现出丰富的科学问题，在此基础上结合结构优化可进一步构建出具有特色功能的新器件；再次，碳纳米管的引入可以挑战垂直异质结结区尺寸的极限，为提高器件集成度提供一个有力的解决方案；最后，我们初步实现了基于单壁碳纳米管和二硫化钼的垂直点异质结，其具有的高开关比和高空间分辨率证明了该项目提出的这种混合维度异质结的潜力。

碳纳米管和二维层状材料是近年来在纳米科技领域被广泛研究的重要纳米材料。将碳纳米管独特的一维结构与二维材料结合构建具有混合维度的异质结将可实现这两类先进材料的协同工作、优势互补，能进一步发掘这两类先进纳米材料在电子学和光电子学领域应用潜力，是具有丰富科学内涵值得关注的前沿研究。.项目主要围绕基于碳纳米管和二维材料的混合维度异质结（1D-2D）开展研究工作，这部分内容和重要成果主要包括：发展了碳纳米管和二维材料的混合维度异质结的创新制备方法；提出并成功制备了一系列一维二维异质结构，如碳纳米管/WSe2/石墨烯异质结构、垂直点型pn结、半导体型碳纳米管与MoS2异质结等；研究混合维度异质结构的基本物性并分析了相关机理，为异质结的器件设计和分析建立了的理论基础和依据；以混合维度异质结为基础发展原型器件和具体应用，如空间分辨率受电场调控的混合维度异质结光电探测器、具有整流特性的良好光电探测性能的垂直点p-n结器件、基于半导体碳纳米管和二硫化钼的可重构混合维度隧穿晶体管、可重构碳纳米管势垒晶体管等。另外，在项目进展的启发下对研究内容做了适当的有益扩充，将一维二维体系扩大到碳纳米管和其他维度的异质结构（1D-1.5D/2.5D/3D），这部分内容重要成果主要包括：1D-1.5D：碳纳米管和功能氧化物的同轴结构；1D-2.5D：闪蒸印刷术和碳纳米管图形化衬底技术；1D-3D：超轻质、多用途超顺排碳纳米管高低温胶带。.项目所取得的这些重要成果充分揭示了项目具有的重要科学意义。混合维度异质结具有丰富的形式，有效拓展了范德瓦尔斯异质结体系；不同维度材料结合后的协同效应将呈现出丰富的科学问题，在此基础上结合结构优化可进一步构建出具有特色功能的新器件；碳纳米管的引入可以挑战垂直异质结结区尺寸的极限，为提高器件集成度提供一个有力的解决方案。